磁巴克豪森噪聲法無損測定AISI9310滲碳鋼的殘餘應力

前言

AISI 9310是一種具有高淬透性、核心韌性和耐疲勞性的鎳鉻鉬鋼，廣泛用作高性能旋轉和承載航空航天部件的滲碳鋼。滲碳零件的可靠性能需要對微觀結構、硬度和殘餘應力進行嚴格的質量控製。本研究評估了磁性巴克豪森噪聲（MBN）方法作為評估滲碳工藝參數對AISI 9310鋼表麵完整性影響的無損工具的適用性。通過改變滲碳、低溫處理和回火條件，製備了具有不同殘餘應力狀態的試樣。使用MBN測試表明，在所研究的配置中，MBN參數與表麵殘餘應力之間存在明顯的相關性。此外通過基於XRD方法測定殘餘奧氏體和測定殘餘應力進行了補充。研究結果強調了MBN作為一種快速、經濟有效的方法監測滲碳鋼中工藝引起的殘餘應力變化的潛力。

金相學、硬度分析和X射線衍射等傳統表征技術仍然不可缺，因為它們提供了有關微觀結構、硬度分布、殘餘奧氏體和殘餘應力的直接信息。然而，這些測試速度較慢，並不總是很適合在工業環境中的常規生產控製或快速反饋。這保持了人們對無損方法的興趣，這些方法可以指示零件的表麵狀況是否保持在預期的工藝範圍內。在這種情況下，磁性巴克豪森噪聲法引起了特別的關注，因為它對影響鐵磁鋼疇壁運動的殘餘應力和微觀結構特征都很敏感。早期對滲碳鋼的研究表明，巴克豪森效應對應力變化和磨削等後處理操作引起的表麵損傷有明顯的反應。MBN不是一種直接的殘餘應力測量方法。該信號反映了應力、相組成、位錯結構、碳化物沉澱和硬度相關釘紮效應的綜合影響。

實驗步驟

AISI/SAE 9310鋼在925℃下滲碳3小時。淬火（A-1）後，使用分別對應於試樣A-1-1、A-2-1和A-3-1在-25、-75和-100℃下處理的試樣評估亞零度處理的效果。然後使用與-100℃零下條件相對應的試樣檢查回火的效果，然後不回火、150℃回火和300℃回火，即A-3-1、A-3-2和A-3-3。

 使用亞零度處理溫度升高的顯著影響是殘餘奧氏體的逐漸減少。當溫度從-25℃降至- 100℃時，其含量從A-1-1中的約15%降至A-2-1中約11%，A-3-1約7%。在零度以下處理之前，這些試樣含有大約19%的殘餘奧氏體。這種行為與低溫下持續的馬氏體相變以及隨之而來的硬度、殘餘應力和MBN響應的變化是一致的。滲碳和硬化鋼也有類似的趨勢，其中較深的低溫處理抑製了殘餘奧氏體，並使其最終狀態穩定。從表麵完整性的角度來看，這一趨勢很重要，因為殘餘奧氏體會影響尺寸穩定性、局部轉變行為和滲碳層的最終殘餘應力平衡。

隨著殘餘奧氏體的減少，表層變得更硬，因為大部分表麵轉變為馬氏體。A-1-1、A-2-1和A-3-1的硬度深度比較表明，這種影響不限於單個表麵點，而是延伸到近表麵滲碳區域。這一趨勢在技術上是相關的，因為較高的表麵硬度可以提高對局部塑性變形和磨損的抵抗力，盡管它應該與殘餘奧氏體和殘餘應力一起解釋。A-3-1和A-3-2之間的微小差異表明，在150℃下回火僅導致殘餘奧氏體水平的有限變化，而在300℃下淬火則產生了更大的減少。

 較低的零下處理溫度也使表麵殘餘應力狀態更具壓縮性。在熱處理後的表麵，殘餘應力從A-1的-363MPa左右變化到A-1-1的-423MPa和A-3-1的-458MPa。在30µm電解拋光後，同樣的趨勢變得更加明顯，A-1的值約為-259 MPa，A-1-1 的值為-458 MPa，A-3-1的值為-509 MPa。在零下處理過程中，殘餘奧氏體的減少伴隨著更高的壓應力水平。這與殘餘奧氏體向馬氏體轉變相關的體積膨脹以及更深的亞零度處理產生的更強烈的壓縮主導表麵狀態是一致的。

圖3中的負柱狀圖顯示了向更強壓應力的明顯進展，而下麵討論的回火柱狀圖顯示了這種有益狀態的放鬆。這一趨勢是解釋磁響應的核心，因為巴克豪森信號必須根據物理上有意義的殘餘應力基線進行評估。

MBN響應也隨著深冷處理而發生係統性變化 (圖4)。隨著處理溫度的降低，MBN的電壓信號降低；因此，更深的低溫處理導致巴克豪森信號降低。這與硬度和壓應力的同時增加是一致的，這兩者都阻礙了磁疇壁的運動。實際上，這表明MBN可以在所研究的滲碳路線中區分不同的低溫處理結果。這種解釋也與既定的MBN行為一致。壓縮應力傾向於抑製巴克豪森信號，而拉伸應力或壓縮釋放傾向於增加巴克豪森信號。圖4顯示了MBN響應隨後處理條件的係統變化，反映了硬化層機械狀態的變化。這與工藝驗證和篩選在製造或服務過程中可能經曆過不希望的熱暴露的組件直接相關。

結果表明，MBN受到所有三個主要表麵完整性變量的影響，但程度不同。較硬的馬氏體結構和較強的壓應力抑製了巴克豪森信號，而回火引起的軟化和應力鬆弛則增加了巴克豪森信號。殘餘奧氏體還會通過降低活性鐵磁分數來影響信號。即便如此，總體數據集表明，在當前配置中，殘餘應力對 MBN響應的影響最大，而硬度和殘餘奧氏體則起著次要作用。

MBN信號與硬度之間的反比關係很明顯，但硬度本身並不能解釋觀察到的行為。這在回火過程中尤為明顯，MBN響應的增加不能僅用硬度降低來解釋；壓應力的同時鬆弛同樣重要。同樣，不能隻考慮殘餘奧氏體，因為在零下處理期間，殘餘奧氏體會隨著硬度和殘餘壓力的變化而降低。因此，應將MBN理解為反映整體近表麵狀況，而不是任何單一的特性。

XRD殘餘應力、MBN信號和電解拋光表麵硬度的直接比較表明，在所研究的裝置中，MBN峰強度和殘餘應力之間存在近似線性關係。這支持了工藝比較得出的相同結論，即MBN對有益壓縮的損失，或向較低壓縮，或拉伸狀態的轉變特別敏感。

從工業角度來看，這些發現為MBN定義了一個現實的角色。當已知材料、幾何形狀和熱處理路線時，該方法非常適合滲碳鐵磁部件的快速分選、工藝驗證和表麵狀況篩選。其主要價值在於指示近表麵條件是否保持在可接受的工藝範圍內，特別是在保持或放鬆有益的壓應力方麵。通過這種方式使用，MBN可以通過減少需要較慢驗證測量的組件數量以及支持麵向狀態的維護和再製造決策來補充XRD和硬度測試。對於滲碳AISI 9310，這些結果定義了與零下處理和回火條件相關的實際有用的MBN響應範圍。同時，目前的結果強調了一個重要的局限性：這裏獲得的相關性是特定於所研究的材料、試樣幾何形狀和測量設置的。因此，MBN在工業中的實際實施應依賴於校準的、特定於應用的程序，而不是通用的轉換關係。

檢測結論  

本研究表明，MBN可以可靠地跟蹤AISI 9310鋼滲碳後處理產生的主要表麵完整性變化。降低亞零度處理溫度會減少殘餘奧氏體，增加硬度，並強化壓應力的狀態，導致MBN響應降低。相比之下，回火，特別是在300℃下，降低了硬度，幾乎消除了剩餘的殘餘奧氏體，並大大緩解了有益的壓應力，從而提高了MBN響應。

在所研究的變量中，殘餘應力對MBN響應的影響最大，而硬度和殘餘奧氏體的影響較小，但仍然有意義。綜上所述，這些結果支持將MBN用作校準的工業相關的無損檢測工具，用於滲碳鐵磁部件的表麵完整性篩查和工藝驗證。報告的關係特定於所研究的材料、試樣幾何形狀和測量配置，因此應僅在適當重新校準的情況下應用於其他情況。